基于注浆加固圈厚度的富水巷道支护参数优化研究

基于注浆加固圈厚度的富水巷道支护参数优化研究

在采矿和狩猎过程中，地下水和道路围岩中的岩石矿容易受到物理和化学作用。因此，在富水华侨岩石的条件下，岩石的强度不断降低，围岩的承载能力也降低，容易引起道路围岩的变形。1项目总结1.1项目环境描述桃园煤矿Ⅱ1.2现场试验研究桃园煤矿Ⅱ桃园矿Ⅱ在Ⅱ采用理论分析、数值模拟及现场实测相结合的研究手段，揭示锚杆-锚注协调支护机理，基于注浆加固圈厚度分析，最终确定锚注支护参数，进行现场试验，验证围岩控制效果。2基于注浆扩散加固拱的锚固变形发展以桃园煤矿Ⅱ考虑锚杆、锚注支护方式不同，分析锚注加固机理，如图3。注浆锚杆注浆后将浸水后松散破碎围岩胶结成整体，可以提高岩体的黏聚力、内摩擦角及弹性模量，从而提高岩体强度，可以使围岩本身作为支护结构的一部分，使加固范围内破碎岩体形成1个整体，扩大支护结构的有效承载范围，提高支护结构的整体性和承载能力。随着加固圈厚度的增大，注浆扩散加固拱所提升岩体强度的范围越大，承载载荷的能力也越大。因此，在进行锚注支护设计时，可以根据注浆加固厚度，对注浆扩散加固拱的整体承载能力进行判断，进而对锚注支护参数进行优化。故根据加固圈受力状况建立力学模型如图4。加固圈内径向应力σ式中：p巷道遇水浸泡后围岩岩体较为松散破碎，以Hoek-Brown强度准则f式中：σ将式（1）与式（2）联立可得：f结合桃园煤矿Ⅱ等效巷道半径r注浆加固圈厚度h为：计算得到注浆加固圈厚度为1.51m，取1.5m。结合桃园煤矿Ⅱ3锚注入协议的模拟验证3.1加固圈厚度的确定1）模拟模型。以桃园矿Ⅱ2）模拟方案。主要研究基于注浆加固圈厚度的锚注支护方案设计问题。注浆加固圈厚度划分0.5、1.0、1.5、2.0m4个水平。通过改变注浆锚杆间距实现对于浆液扩散范围的控制，具体方案见表3。3.2巷道围岩注浆加固圈厚度确定应用方案通过模拟得出各方案下巷道围岩塑性区分布情况如图6。由图6可知，随着注浆加固圈厚度的增加，巷道变形收敛时围岩新产生塑性区范围逐渐减小，由图6(a）可以发现，围岩注浆加固圈厚度为0.5m，加固圈厚度较小，注浆加固后没有在巷道周围产生连续的加固圈，注浆无法将浸水后松散破碎围岩胶结成为整体，无法在巷道表面形成组合拱结构，对巷道破裂围岩产生的加固作用十分有限，巷道围岩的承载能力较弱，导致注浆后巷道围岩塑性区继续向深部发展，巷道变形破坏严重。相比图6(a），图6(b）中围岩注浆加固圈厚度为1.0m，由于注浆加固圈厚度的增加，注浆加固圈可以将浅部破碎围岩胶结成为1个整体，在巷道周围形成1圈较薄的注浆加固圈，隔绝空气，防止浸水后围岩进一步风化而降低围岩强度，但由于加固圈厚度太薄，其承载能力有限，不能有效阻止遇水浸泡后巷道围岩的进一步变形破坏，注浆后随着巷道围岩的进一步变形，注浆加固圈承载载荷逐渐增加，当承载载荷超过薄加固圈的强度，加固圈发生破坏，巷道围岩塑性区向深部扩展，导致巷道最终变形破坏依然很严重。相比图6(a）、图6(b），图6(c）中注浆加固圈半径达到1.5m，注浆后巷道围岩基本没有再产生新的塑性区，浆液将浸水后松散破碎围岩胶结成整体，注浆加固圈承载载荷始终未达到其破坏强度，巷道变形得到有效地控制。而相比图6(a）、图6(b），图6(d）中注浆后巷道围岩基本没有再产生新的塑性区，巷道变形也得到了有效地控制，与图6(c）中塑性区分布情况相似。不同方案下巷道围岩位移如图7。综合以上4组模拟结果，同时结合不同方案下巷道围岩位移变化，可以发现，随着注浆加固圈厚度的增加，巷道顶板、两帮及底板变形都逐渐减小；且巷道注浆加固圈厚度大于1.5m时，巷道变形随注浆加固圈厚度的增加不再有明显的变化。因此，在锚注支护设计过程中，应保证注浆加固后能在巷道周围形成不小于1.5m厚的注浆加固圈，综合考虑支护效果和注浆浆液扩散，建议选用方案3进行桃园煤矿Ⅱ4现场应用4.1盐水泥生产设备巷道断面具体支护参数如图8。据以上分析，在巷道原支护设计锚杆一次支护的基础上，确定了桃园煤矿Ⅱ而注浆材料采用普通硅酸盐水泥加添加剂，水泥选用淮北矿业集团水泥厂生产的PC32.5水泥。为了增加水泥浆液的和易性、流动性、微膨胀性，提高水泥浆液的结石率和锚注岩体的强度，采用ACZ-1型水泥添加剂，用量为水泥质量的4%～6%，浆液水灰比为0.7∶1～1∶1，单孔注浆时间取为3～5min，注浆压力根据以往经验，注浆压力为2.0～3.0MPa，最大注浆压力为3.0MPa。4.2巷道围岩位移量为验证围岩控制效果，在桃园煤矿Ⅱ掘进期间巷道两帮及顶底板移近量随掘进时间增加，距掘进工作面距离增大，巷道两帮及顶底板移近量逐渐增大，最终趋于稳定。顶底板位移量经过了急剧升高段和趋于稳定段，稳定段位于支护后35d，巷道顶底板移近速度达到4.3mm/d，巷道两帮移近速度达到3.0mm/d；巷道进入变形稳定阶段，顶底板移近量稳定在140～160mm，两帮移近量稳定在100～110mm。5锚注支护设计1）现场监测发现，在锚杆支护方式中，地下水对巷道围岩稳定性影响较大，采用普通锚杆支护不能有效控制富水巷道围岩变形，需要进行锚注支护。2）基于注浆加固圈厚度进行分析，得到注浆加固圈厚度与注